CN108667293A - 一种适用于电流模buck变换器的二次斜坡补偿电路 - Google Patents

一种适用于电流模buck变换器的二次斜坡补偿电路 Download PDF

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Abstract

一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路，属于电子电路技术领域。包括自适应电流产生模块、一次斜坡产生模块和二次斜坡产生模块，自适应电流产生模块采集电流模BUCK变换器输入电压的信息，然后产生一个和输入电压成正比的电流信号，即自适应电流；一次斜坡产生模块用于将自适应电流产生模块产生的自适应电流信号转化为一个和时间成正比的电压信号；二次斜坡产生电路由跨导线性环将一次斜坡，即一次斜坡产生模块产生的电压信号转化为二次斜坡。本发明产生的斜坡补偿信号可以确保在全占空比范围内系统环路都能维持稳定并且具有一个固定的品质因数，从而具有快速的瞬态响应特性，同时也解决了小占空比时出现的过补偿问题。

Description

一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及到一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路。
背景技术
电压模和电流模是降压(BUCK)变换器的两种经典控制方式，而电流模控制的降压变换器由于具有简单的环路补偿、方便设置电流限以及良好的动态响应等特点而被广泛的应用。然而在电流模控制的降压变换器中，不合适的斜坡补偿会导致电路的瞬态响应特性变差甚至导致环路振荡。
工业上最常用的斜坡补偿电路大致可以分为：固定斜坡补偿和分段线性斜坡补偿。固定斜坡补偿电路是用振荡器产生一个固定斜率的锯齿波信号，然后将该信号作为PWM端的斜坡补偿信号，为了保证在全占空比范围内环路都能维持稳定，该种斜坡补偿的斜率是根据最大占空比选定的，从而导致在小占空比时会出现过补偿的现象，减缓了系统环路响应。分段线性斜坡补偿是将占空比分作多段，每段对应一个不同值的固定斜坡补偿斜率，该方案一定程度上解决了固定斜坡补偿会出现的过补偿问题，但其没有在全占空比范围内实现最优的斜坡补偿。
发明内容
针对上述传统斜坡补偿电路存在的过补偿、不能在全占空比范围内实现最优的斜坡补偿、瞬态响应特性差以及环路振荡等问题，本发明提出了一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路，以保证系统环路品质因数Q在全占空比范围内都维持在一个固定的优值，实现加速瞬态响应过程以及维持系统环路稳定。
本发明的技术方案为：
一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路，包括自适应电流产生模块，所述自适应电流产生模块的输入端连接所述电流模BUCK变换器的输入电压VIN，其输出端输出与所述输入电压VIN成正比的自适应电流；
所述二次斜坡补偿电路还包括一次斜坡产生模块和二次斜坡产生模块，
所述一次斜坡产生模块包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、电容C、第四电阻R4、第二NMOS管MN2、第三PMOS管MP3、和第四PMOS管MP4，
第三PMOS管MP3的栅极作为所述一次斜坡产生模块的输入端连接所述自适应电流，其漏极连接第一三极管Q1的基级和集电极以及第二三极管Q2的基级，其源极连接第四PMOS管MP4的源极并连接电源电压；
第二三极管Q2的集电极连接第四PMOS管MP4的栅极和漏极，其发射极通过第四电阻R4后接地；
第二NMOS管MN2的栅极连接时钟信号CLK，其漏极连接第一三极管Q1的发射极并通过电容C后接地，其源极接地；
所述二次斜坡产生模块包括第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7和第五电阻R5，
其中第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第七NMOS管MN7为同类型的NMOS管，且均工作在亚阈区；
第五PMOS管MP5的栅极连接所述一次斜坡产生模块中第四PMOS管MP4的栅极，其漏极连接第五NMOS管MN5的栅极、第三NMOS管MN3的栅极和漏极，其源极连接第五NMOS管MN5的漏极、第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7的源极；
第四NMOS管MN4的栅漏短接并连接第三NMOS管MN3的源极，其源极连接第六NMOS管MN6和第七NMOS管MN7的源极并接地；
第六NMOS管MN6的栅极连接与所述自适应电流成比例的电流，其漏极连接第五NMOS管MN5的源极和第七NMOS管MN7的栅极；
第七PMOS管MP7的栅极连接第七NMOS管MN7的漏极、第六PMOS管MP6的栅极和漏极，其漏极连接第五电阻R5的一端并作为所述二次斜坡补偿电路的输出端；
第五电阻R5的另一端接地。
具体的，所述自适应电流产生模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1、第八NMOS管MN0和运算放大器OP，
第一电阻R1和第二电阻R2串联，其串联结构一端连接所述输入电压VIN，另一端接地，其串联点连接运算放大器OP的同相输入端；
第八NMOS管MN0的栅极连接运算放大器OP的输出端，其源极连接运算放大器OP的反相输入端并通过第三电阻R3后接地，其漏极连接第二PMOS管MP2的栅极、第一PMOS管MP1的栅极和漏极以及所述一次斜坡产生模块的输入端；
第一NMOS管MN1的栅漏短接并连接第二PMOS管MP2的漏极以及二次斜坡产生模块中第六NMOS管MN6的栅极，其源极接地；
第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的源极连接电源电压。
本发明的有益效果是：本发明产生的二次斜坡补偿电压不仅解决了环路稳定性的问题，同时还保证了在全占空比范围内系统品质因数Q都为固定的优值，大大的加速了系统瞬态响应速度。
附图说明
图1为本发明提出的一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路的结构示意图。
图2为本发明提出的一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路的具体电路图。
图3为本发明提出的一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路在不同占空比下产生的二次斜坡补偿电压的波形图。
具体实施方式
下面结合附图的具体实施例详细描述本发明。
对于电流模BUCK变换器，其品质因数为：
其中sn为电流模BUCK变换器的电感电流上升斜率，sf为电流模BUCK变换器的电感电流下降斜率，se为外加的斜坡补偿斜率。
令(1)式的Q＝2/π，解得斜坡补偿se为：
其中，Ri为采样增益，VO是电流模BUCK变换器的输出电压，VIN是电流模BUCK变换器的输入电压，D是占空比，将(2)式中D换为时间t，然后式(2)两边对时间t进行积分就得到了目标斜坡补偿量：
其中fsw为开关频率，根据(3)式可见，需要的斜坡补偿电压与电流模BUCK变换器的输入电压VIN成正比，并且是时间t的二次函数。
如图1所示，本发明提出的一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路包括自适应电流产生模块、一次斜坡产生模块和二次斜坡产生模块，自适应电流产生模块采集电流模BUCK变换器的输入电压VIN的信息，然后产生一个和输入电压VIN成正比的电流信号，即自适应电流；一次斜坡产生模块用于将自适应电流产生模块产生的自适应电流信号转化为一个和时间成正比的电压信号；二次斜坡产生电路由跨导线性环将一次斜坡(即一次斜坡产生模块产生的电压信号)转化为二次斜坡。
如图2所示给出了自适应电流产生模块的一种电路实现形式，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1、第八NMOS管MN0和运算放大器OP，第一电阻R1和第二电阻R2串联，其串联结构一端连接输入电压VIN，另一端接地，其串联点连接运算放大器OP的同相输入端；第八NMOS管MN0的栅极连接运算放大器OP的输出端，其源极连接运算放大器OP的反相输入端并通过第三电阻R3后接地，其漏极连接第二PMOS管MP2的栅极、第一PMOS管MP1的栅极和漏极以及一次斜坡产生模块的输入端；第一NMOS管MN1的栅漏短接并连接第二PMOS管MP2的漏极以及二次斜坡产生模块中第六NMOS管MN6的栅极，其源极接地；第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2的源极连接电源电压。
电流模BUCK变换器的输入电压VIN通过两个串联的第一电阻R1和第二电阻R2分压后接到运算放大器OP的正相输入端，运算放大器OP接成了单位增益负反馈的形式，于是得到第三电阻R3上的电压为：
所以流过第三电阻R3的电流为：
通过上式可见，流过第三电阻R3上的电流是与输入电压VIN成正比的，该电流即为自适应电流。
一次斜坡产生模块的结构如图2所示，包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、电容C、第四电阻R4、第二NMOS管MN2、第三PMOS管MP3、和第四PMOS管MP4，第三PMOS管MP3的栅极作为一次斜坡产生模块的输入端连接自适应电流，其漏极连接第一三极管Q1的基级和集电极以及第二三极管Q2的基级，其源极连接第四PMOS管MP4的源极并连接电源电压；第二三极管Q2的集电极连接第四PMOS管MP4的栅极和漏极，其发射极通过第四电阻R4后接地；第二NMOS管MN2的栅极连接时钟信号CLK，其漏极连接第一三极管Q1的发射极并通过电容C后接地，其源极接地。
由于自适应电流产生模块的第一PMOS管MP1分别和第二PMOS管MP2以及一次斜坡产生模块的第三PMOS管MP3构成电流镜，为了方便计算，本实施例中电流镜镜像比可以都设置为1︰1，使得流过第一三极管Q1和第一NMOS管MN1的电流均为IR3，于是电容C上电压为：
因为流过第一三极管Q1和第二三极管Q2的电流差别不大，而三极管电流与其基级发射极电压VBE是成指数关系的，所以可以近似认为第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极-发射极电压VBE相等。于是得到流过第四电阻R4的电流为：
于是第四电阻R4上的电流为一股与时间成一次关系的电流。
二次斜坡产生模块的结构如图2所示，包括第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7和第五电阻R5，第五PMOS管MP5的栅极连接一次斜坡产生模块中第四PMOS管MP4的栅极，其漏极连接第五NMOS管MN5的栅极、第三NMOS管MN3的栅极和漏极，其源极连接第五NMOS管MN5的漏极、第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7的源极；第四NMOS管MN4的栅漏短接并连接第三NMOS管MN3的源极，其源极连接第六NMOS管MN6和第七NMOS管MN7的源极并接地；第六NMOS管MN6的栅极连接与自适应电流成比例的电流，其漏极连接第五NMOS管MN5的源极和第七NMOS管MN7的栅极，为了方便运算，第六NMOS管MN6的栅极连接的电流与自适应电流的比例可以为1︰1；第七PMOS管MP7的栅极连接第七NMOS管MN7的漏极、第六PMOS管MP6的栅极和漏极，其漏极连接第五电阻R5的一端并作为二次斜坡补偿电路的输出端；第五电阻R5的另一端接地。
二次斜坡产生模块的核心是由第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第七NMOS管MN7组成的跨导线性环。其中第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5和第七NMOS管MN7为同种类型的NMOS管，且均工作在亚阈区。当亚阈区MOS漏源电压VDS大于100mV时，其电流电压公式可简化为：
上式中S是MOS管的宽长比，热电压ISQ＝μCox(m-1)VT 2，k为波耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷，m为亚阈区斜率因子，COX是栅氧电容，μ是电子迁移率，VTH是MOS管阈值电压。
根据(8)式得到第七NMOS管MN7管的漏级电流为：
因为第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4电流相等，所以第三NMOS管MN3的栅源电压VGS3也等于第四NMOS管MN4的栅源电压VGS4，(9)式可以改写为:
其中因为第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5构成电流镜，使得流过第四电阻R4的电流和第三NMOS管MN3的电流相等，即IDMN3＝IR4；又根据上面分析得到的流过第一三极管Q1和第一NMOS管MN1的电流均为IR3，且第一NMOS管MN1和第六NMOS管MN6构成电流镜，使得第五NMOS管MN5的电流等于第三电阻R3的电流，即IDMN5＝IR3。将IR3和IR4表达式代入(10)式得到：
所以第七NMOS管MN7的漏极电流是时间的二次函数。最后将这股电流流过第五电阻R5就得到了与时间成二次函数关系，且与输入电压VIN成正比的电压：
如图3所示为不同占空比下产生的二次斜坡补偿电压仿真图，通过仿真结果可见，随着占空比D的增大，二次斜坡的斜率也等比例的变大，二次斜坡可以自适应地随占空比D的变化而等比例变化。
综上，本发明产生的斜坡补偿信号可以确保在全占空比范围内系统环路都能维持稳定并且具有一个固定的品质因数Q，从而具有快速的瞬态响应特性，也解决了小占空比时出现的过补偿问题。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路，包括自适应电流产生模块，所述自适应电流产生模块的输入端连接所述电流模BUCK变换器的输入电压(VIN)，其输出端输出与所述输入电压(VIN)成正比的自适应电流；
其特征在于，所述二次斜坡补偿电路还包括一次斜坡产生模块和二次斜坡产生模块，
所述一次斜坡产生模块包括第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、电容(C)、第四电阻(R4)、第二NMOS管(MN2)、第三PMOS管(MP3)、和第四PMOS管(MP4)，
第三PMOS管(MP3)的栅极作为所述一次斜坡产生模块的输入端连接所述自适应电流，其漏极连接第一三极管(Q1)的基级和集电极以及第二三极管(Q2)的基级，其源极连接第四PMOS管(MP4)的源极并连接电源电压；
第二三极管(Q2)的集电极连接第四PMOS管(MP4)的栅极和漏极，其发射极通过第四电阻(R4)后接地；
第二NMOS管(MN2)的栅极连接时钟信号(CLK)，其漏极连接第一三极管(Q1)的发射极并通过电容(C)后接地，其源极接地；
所述二次斜坡产生模块包括第三NMOS管(MN3)、第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)、第六NMOS管(MN6)、第七NMOS管(MN7)、第五PMOS管(MP5)、第六PMOS管(MP6)、第七PMOS管(MP7)和第五电阻(R5)，
其中第三NMOS管(MN3)、第四NMOS管(MN4)、第五NMOS管(MN5)和第七NMOS管(MN7)为同类型的NMOS管，且均工作在亚阈区；
第五PMOS管(MP5)的栅极连接所述一次斜坡产生模块中第四PMOS管(MP4)的栅极，其漏极连接第五NMOS管(MN5)的栅极、第三NMOS管(MN3)的栅极和漏极，其源极连接第五NMOS管(MN5)的漏极、第六PMOS管(MP6)和第七PMOS管(MP7)的源极；
第四NMOS管(MN4)的栅漏短接并连接第三NMOS管(MN3)的源极，其源极连接第六NMOS管(MN6)和第七NMOS管(MN7)的源极并接地；
第六NMOS管(MN6)的栅极连接与所述自适应电流成比例的电流，其漏极连接第五NMOS管(MN5)的源极和第七NMOS管(MN7)的栅极；
第七PMOS管(MP7)的栅极连接第七NMOS管(MN7)的漏极、第六PMOS管(MP6)的栅极和漏极，其漏极连接第五电阻(R5)的一端并作为所述二次斜坡补偿电路的输出端；
第五电阻(R5)的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的适用于电流模BUCK变换器的二次斜坡补偿电路，其特征在于，所述自适应电流产生模块包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第一PMOS管(MP1)、第二PMOS管(MP2)、第一NMOS管(MN1)、第八NMOS管(MN0)和运算放大器(OP)，
第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联，其串联结构一端连接所述输入电压(VIN)，另一端接地，其串联点连接运算放大器(OP)的同相输入端；
第八NMOS管(MN0)的栅极连接运算放大器(OP)的输出端，其源极连接运算放大器(OP)的反相输入端并通过第三电阻(R3)后接地，其漏极连接第二PMOS管(MP2)的栅极、第一PMOS管(MP1)的栅极和漏极以及所述一次斜坡产生模块的输入端；
第一NMOS管(MN1)的栅漏短接并连接第二PMOS管(MP2)的漏极以及二次斜坡产生模块中第六NMOS管(MN6)的栅极，其源极接地；
第一PMOS管(MP1)和第二PMOS管(MP2)的源极连接电源电压。
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